TOKYO - 17 September 2025 -NTT, Inc. (Kantor Pusat: Chiyoda, Tokyo; Presiden dan CEO: Akira Shimada; selanjutnya disebut "NTT") dan Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Kantor Pusat: Chiyoda, Tokyo; Presiden dan CEO: Eisaku Ito; selanjutnya disebut "MHI") melakukan percobaan transmisi daya nirkabel optik menggunakan sinar laser untuk mengirimkan energi secara nirkabel sejauh 1 kilometer. Dengan menyinari sinar laser dengan daya optik 1 kW, kami berhasil menerima daya listrik 152 W dalam jarak 1 kilometer. Hal ini menandai efisiensi transmisi daya nirkabel optik tertinggi di dunia yang menggunakan elemen konversi fotolistrik silikon (Catatan 2) di lingkungan dengan turbulensi atmosfer yang kuat.
Hasil ini menunjukkan kelayakan penyaluran listrik ke lokasi yang jauh. Di masa depan, hal ini diharapkan dapat diterapkan pada-transmisi listrik berdasarkan permintaan ke pulau-pulau terpencil dan-daerah yang terkena bencana di mana kabel listrik tidak dapat dipasang.
Prestasi tersebut dimuat di majalah Inggris Electronics Letters pada 5 Agustus 2025.
Latar belakang
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi transmisi daya nirkabel untuk perangkat seperti ponsel pintar, perangkat wearable, drone, dan kendaraan listrik, yang dapat menyuplai listrik tanpa menggunakan kabel, semakin mendapat perhatian. Ada dua jenis sistem transmisi daya nirkabel: satu menggunakan gelombang mikro dan yang lainnya menggunakan sinar laser. Transmisi daya nirkabel gelombang mikro sudah digunakan secara praktis dan penggunaannya semakin meluas. Di sisi lain, transmisi daya nirkabel optik menggunakan sinar laser belum diterapkan secara praktis, namun diharapkan dapat mewujudkan transmisi daya nirkabel jarak jauh-yang ringkas dalam urutan kilometer dengan memanfaatkan directivity sinar laser yang tinggi (Gambar 1).
Prospek masa depan membayangkan pengembangan{0}}infrastruktur generasi berikutnya yang mampu memasok listrik dan memperluas jangkauan komunikasi dalam situasi dan wilayah di mana listrik atau jaringan komunikasi tidak tersedia, seperti saat terjadi bencana, di pulau-pulau terpencil, daerah pegunungan, atau di laut. Hal ini termasuk menyalurkan listrik secara tepat ke area tertentu atau platform bergerak seperti drone. Untuk mencapai penyaluran daya-jarak jauh yang sangat akurat memerlukan transmisi daya nirkabel-berbasis laser yang memanfaatkan arah yang kuat.
Tantangan teknologi yang ada dan pencapaian eksperimen ini
Efisiensi teknologi transmisi daya nirkabel optik umumnya rendah, dan peningkatan efisiensi merupakan masalah dalam penggunaan praktis. Salah satu alasannya adalah ketika-sinar laser jarak jauh merambat, terutama di atmosfer, distribusi intensitas menjadi tidak merata, dan efisiensi konversi sinar laser menjadi tenaga listrik pada elemen konversi fotolistrik menjadi rendah.
Dalam percobaan ini, kami menggabungkan teknologi pembentukan sinar NTT dengan teknologi penerima cahaya MHI untuk meningkatkan efisiensi transmisi daya nirkabel laser. Kami melakukan-eksperimen transmisi daya nirkabel optik jarak jauh di lingkungan luar ruangan menggunakan-teknologi pembentukan sinar datar jarak jauh yang membentuk sinar di sisi transmisi untuk mencapai intensitas sinar yang seragam setelah perambatan 1 kilometer, dan menghasilkan teknologi perataan arus keluaran yang menekan pengaruh fluktuasi atmosfer dengan homogenizer dan sirkuit perataan di sisi penerima.
Dari bulan Januari hingga Februari 2025, kami melakukan eksperimen transmisi daya nirkabel optik di landasan pacu Bandara Nanki-Shirahama di Kota Shirahama, Distrik Nishimuro, Prefektur Wakayama (Gambar 2). Sebuah bilik transmisi yang dilengkapi dengan sistem optik untuk memancarkan sinar laser dipasang di salah satu ujung landasan pacu, dan bilik penerima yang berisi panel-penerima cahaya ditempatkan 1 kilometer jauhnya.
Selama transmisi, sumbu optik laser diatur pada ketinggian rendah sekitar 1 meter di atas tanah dan disejajarkan secara horizontal. Akibatnya, sinar tersebut sangat dipengaruhi oleh pemanasan tanah dan angin, dan percobaan dilakukan dalam kondisi turbulensi atmosfer yang kuat.
Di dalam bilik transmisi, dihasilkan sinar laser dengan daya optik 1035 W. Dengan menggunakan elemen optik difraksi (DOE) (Catatan 3), berkas cahaya dibentuk untuk menciptakan distribusi intensitas yang seragam pada jarak 1 kilometer. Selain itu, cermin kemudi sinar digunakan untuk mengarahkan sinar berbentuk secara tepat ke panel penerima. Sinar keluar melalui bukaan ruang transmisi dan merambat melintasi ruang terbuka sepanjang 1 kilometer, akhirnya mencapai ruang penerima.
Selama propagasi, turbulensi atmosfer menyebabkan fluktuasi intensitas pancaran sinar, sehingga menimbulkan titik panas. Ini disebarkan oleh homogenizer di ruang penerima tamu, menghasilkan sinar seragam yang diiradiasi ke panel penerima. Sinar laser kemudian secara efisien diubah menjadi tenaga listrik (Gambar 3). Elemen konversi fotolistrik berbasis silikon-digunakan untuk panel penerima, dengan mempertimbangkan biaya dan ketersediaan.
Dalam percobaan ini, daya listrik rata-rata yang diekstraksi dari panel penerima adalah 152 W (Gambar 4), sesuai dengan efisiensi transmisi daya nirkabel sebesar 15%, yang didefinisikan sebagai rasio daya listrik yang diterima terhadap daya optik yang ditransmisikan. Hasil ini menandai efisiensi transmisi daya nirkabel optik tertinggi di dunia yang pernah ditunjukkan menggunakan elemen konversi fotolistrik berbasis silikon dalam kondisi turbulensi atmosfer yang kuat. Selain itu, penyaluran daya secara terus-menerus berhasil dipertahankan selama 30 menit, mengonfirmasi kelayakan transmisi daya-durasi panjang menggunakan teknologi ini.
Catatan:Dari sudut pandang keselamatan, sistem transmisi optik dan panel penerima masing-masing dipasang di dalam bilik untuk mencegah paparan yang tidak disengaja terhadap-sinar laser berdaya tinggi dan hamburan cahaya yang dipantulkan.
Sorotan teknis
Teknologi-pembentukan balok datar jarak jauh
Untuk meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik, perlu dilakukan penyeragaman distribusi intensitas berkas datang pada elemen konversi fotolistrik.
Dalam studi ini, kami mengusulkan metode pembentukan sinar yang memungkinkan keseragaman intensitas setelah-propagasi jarak jauh. Dalam pendekatan ini, bagian luar berkas diubah menjadi pola berbentuk cincin-menggunakan efek lensa akson (Catatan4). Bagian tengah berkas cahaya dimodulasi fase-untuk mengembang melalui efek lensa cekung. Saat sinar merambat, sinar berbentuk cincin-dan sinar pusat yang diperluas secara bertahap saling tumpang tindih, sehingga menghasilkan distribusi intensitas yang seragam di lokasi target, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Untuk percobaan ini, kami mengoptimalkan desain sinar untuk mencapai profil intensitas yang diinginkan pada jarak 1 kilometer. Pembentukan berkas dilakukan menggunakan elemen optik difraksi, yang meningkatkan keseragaman intensitas berkas pada posisi target yang terletak 1 kilometer jauhnya.
Keluaran teknologi leveling saat ini
Saat sinar laser merambat melalui atmosfer, ia dipengaruhi oleh turbulensi atmosfer, sehingga mengganggu distribusi intensitas. Meskipun teknik pembentukan balok datar yang dijelaskan di atas dapat menyeragamkan distribusi intensitas, turbulensi yang kuat masih dapat menyebabkan terbentuknya titik-titik dengan intensitas tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Untuk mengatasi masalah ini, kami menempatkan beam homogenizer di depan panel-penerima cahaya. Homogenizer menyebarkan titik-intensitas tinggi sehingga sinar disinari secara merata ke panel. Selain itu, sirkuit leveling dihubungkan ke setiap elemen konversi fotolistrik pada panel penerima. Sirkuit ini membantu menekan fluktuasi arus keluaran yang disebabkan oleh turbulensi atmosfer dan berkontribusi untuk menstabilkan keluaran daya secara keseluruhan.
Kedua teknologi ini memungkinkan tercapainya keseragaman sinar dalam transmisi urutan-kilometer, yang sulit dilakukan dengan metode pembentukan sinar konvensional, dan untuk menstabilkan keluaran di lingkungan luar ruangan. Hasilnya, pasokan listrik yang stabil ke lokasi terpencil seperti pulau-pulau terpencil dan-daerah yang terkena dampak bencana diharapkan dapat dilakukan.
Peran masing-masing perusahaan
NTT: Desain dan implementasi optik transmisi seperti teknik beam shaping
MHI: Desain dan implementasi optik fotodetektor seperti panel fotodetektor, homogenizer, dan sirkuit leveling
Perkembangan di masa depan
Teknologi ini memungkinkan transmisi energi yang efisien dan stabil dalam jarak jauh bahkan di bawah turbulensi atmosfer. Dalam percobaan ini, silikon digunakan sebagai elemen konversi fotovoltaik. Namun, dengan menggunakan perangkat fotovoltaik yang dirancang khusus agar sesuai dengan panjang gelombang sinar laser, efisiensi transfer daya yang lebih tinggi dapat diharapkan. Selain itu, penggunaan sumber cahaya laser dengan daya keluaran yang lebih tinggi akan memungkinkan pasokan listrik dalam jumlah yang lebih besar.
Hasilnya, penyaluran listrik yang fleksibel dan cepat dapat dicapai di daerah terpencil seperti-daerah yang terkena bencana dan pulau-pulau terpencil, yang mana pemasangan kabel listrik biasanya sulit dilakukan. Selain aplikasi terestrial, beragam kasus penggunaan baru juga dapat dibayangkan berdasarkan teknologi ini (Gambar 7). Khususnya, directivity tinggi dan divergensi sinar laser yang rendah memungkinkan desain perangkat penerima yang kompak dan ringan. Hal ini merupakan keuntungan besar bagi platform seluler yang menghadapi keterbatasan berat dan kapasitas muatan.
Misalnya, dengan menggabungkan teknologi ini dengan teknik beam steering, pengiriman daya secara nirkabel ke drone yang sedang terbang menjadi mungkin. Hal ini menghindari kendala operasional seperti pendaratan untuk penggantian baterai atau penggunaan kabel catu daya yang ditambatkan, sehingga memungkinkan pengoperasian berkelanjutan-durasi lama dan-jarak jauh. Kemampuan tersebut dapat meningkatkan pemantauan area-bencana serta relai komunikasi-area luas di wilayah pegunungan atau laut, penerapan yang sebelumnya sulit untuk diwujudkan.
Selain itu, potensi penerapan di ruang angkasa juga diantisipasi, termasuk penyaluran daya ke platform bergerak seperti HAPS (High Altitude Platform Station) (Catatan 5), yang termasuk dalam cakupan merek ruang angkasa NTT, NTT C89 (Catatan 6). Ke depan, teknologi ini dapat diterapkan pada pusat data luar angkasa dan penjelajah bulan, serta sistem tenaga surya luar angkasa di mana listrik disalurkan dari satelit geostasioner ke bumi melalui laser. Aplikasi-aplikasi ini mewakili area dengan potensi kuat untuk perluasan pasar.
Melalui kolaborasi antara NTT dan MHI, kami telah mewujudkan teknologi transfer daya nirkabel laser paling efisien di dunia dalam kondisi yang sangat dipengaruhi oleh fluktuasi atmosfer. Pencapaian ini merupakan langkah signifikan menuju pembangunan landasan teknologi inovatif yang dapat memenuhi berbagai kebutuhan masyarakat, mulai dari tanggap bencana hingga pengembangan ruang angkasa.
